身遠心近，漫談空間太陽能電站

四川省南充市纖維檢驗所 陳春全

到太空找能源

我國先民利用太陽能的歷史相當悠久，周代的《考工記》便有記載：“陽燧以銅為之，向日則生火。”也就是說，周代人用青銅做成凹面鏡，用凹面向太陽聚光而取得火種。這種利用太陽能取火的凹面鏡被稱為“陽燧”，而這種取火的方式也被稱為“陽燧取火”。

到了現代，人類利用太陽能的步伐更是日新月異。我國先后建設了世界上最大的青海龍羊峽水光互補并網光伏電站和全世界球聚光規模最大的甘肅敦煌熔鹽塔式光熱電站。

然而，太陽能發電站一般都會受到太陽光照強度、環境溫度以及天氣條件等的影響。一場突如其來的霧霾或者沙塵暴都會導致太陽能發電站發電量的波動。

那么，有沒有能夠徹底解決影響太陽能發電站工作效率問題的辦法呢？

“Of course！”在上世紀60 年代末，諾貝爾物理學獎得主彼得·格拉賽博士就提出過到太空去建造一座太陽能發電站。在太空中特定的軌道上，太陽能發電板能夠始終對準太陽，每天能有大約99%的時間在持續發電。在發電效率高的同時，空間太陽能電站還具有不受氣候干擾、不受季節晝夜變化和地理位置影響及不存在污染排放等優點。

建在何處

“行百里者半于九十”，由于受到成本、技術、安全、設備等方面的制約，空間太陽能電站從被科學家提出開始的很長時間里，一直停留在理論層面。不過，隨著上世紀70 年代和90 年代幾次能源危機的發生，美國、日本等國家又開始對空間太陽能電站項目進行投資，同時還有不少民間資本也進入到這一領域。

我國雖然是全世界第一能源消費大國，但是在空間太陽能發電方面卻起步較晚。直到2010 年，科學家們才初步提出了我國空間太陽能電站發展路線圖。

建設空間太陽能電站并不是把地面的太陽能發電設備發射到太空中這么簡單的事情。首先，咱們要從技術、成本以及費效比等方面考慮，這電站建在太空中的哪一個地方比較合適。

目前，學術界大致有兩種意見。其中一個設想是將其建設在地球上空大約3.6萬千米的同步軌道上。這里距離地球比較近，電能傳輸以及我們對它進行管理和維護都很方便。但是，地球同步軌道的軌道資源非常緊張，各種各樣的衛星以及航天器大多都會占用這個軌道。

另外一種設想則是將空間太陽能電站建設到距離地球超過30 萬千米的月球軌道上去。建在那里的優點是受地球陰影的影響比同步軌道小得多，可以增加發電的效率。并且，還可以為我們以后建立月球前沿基地帶來幫助。但問題是，月球軌道距離地球很遠，建設的難度和成本都會大幅度增加。

我國的空間太陽能電站究竟建在哪里，還得等待科學家們的進一步研究、論證才能最終確定。

太空電能的生產

那么，空間太陽能電站又是如何發電的呢？

眾所周知，太陽能發電大致就是利用眾多太陽能板收集太陽能并將其轉化為電能。太陽能電池又分為半導體和光化學兩種。

半導體太陽能電池的技術比較成熟，硅（單晶硅、多晶硅、非晶硅）太陽能電池、多元化合物太陽能電池、有機半導體太陽能電池、納米晶體太陽能電池都已經投入使用。不過從技術和成本上來說，有機半導體太陽能電池、納米晶體太陽能電池應該是空間太陽能電站不錯的選擇。因為它們都能在極低的溫度下發電，而且使用壽命可達20 年左右，同時其成本還不到硅太陽能電池的五分之一。

光化學太陽能電池是通過化學過程將光能轉換為電能的設備，也稱為濕式太陽能電池。不過，到目前為止這種技術尚不完全成熟。

根據科學家們的設想，我國的空間太陽能電站大致會由許多個小型發電基站集群而成。每個小基站在10 萬千瓦級左右，都具有獨立發電、儲電和傳輸的能力。這樣不但能夠大大減輕建設、維護的難度，同時還可以根據實際情況掌控空間太陽能電站的規模。

太空電能的傳輸

空間太陽能電站生產的電能如何傳輸到地球或者其他需要的地方呢？拉幾條電纜線顯然是不可能的，一來距離太遠，二來技術上也不能實現。目前人類進行遠距離無線能量傳輸的辦法有微波輸電和激光輸電兩種。

微波是波長介于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波，它能順利通過電離層而不反射。微波輸電就是先通過微波轉換器將電能轉換成微波，再通過發射站將其傳輸至地面接收站，地面接收站再將接收到的微波通過轉換器轉換為工頻交流電。值得注意的是，微波輸電在宇宙空間幾乎沒有能量損耗，即便是在通過大氣層的時候也僅有2%左右的能量損耗。

激光輸電則是利用激光轉換器，將常規電能轉換成可視激光束。這種光束可在空氣中傳播，被接收后在專門的光電電池中再轉換回電能。不過，激光輸電會受到云層、霧霾等天氣條件的影響。

需要說明的是，這兩種遠距離傳輸電能的方法，目前還都不太成熟，尚需進一步研究和發展。同時，空間太陽能電站的儲能問題也尚待解決。目前，傳統的儲電設備都不太適合太空高密度、超低溫儲能的需求。科學家們正在考慮利用超導體來實現在太空中對電能的長時間、無損耗存儲。

我國研究的進度

空間太陽能電站一旦建成，在尺寸和重量上都會遠遠超過目前所有的航天器。因此，它是一個超級龐大的系統工程。根據之前提出的我國空間太陽能電站發展路線圖，科學家們計劃到2030 年左右，開始建設兆瓦級小型空間太陽能試驗電站，到2050 年基本具備建設吉瓦級商業空間太陽能電站的能力。

目前，重慶大學和西安電子科技大學分別對空間太陽能電站展開了研究。

重慶大學的科研隊伍已經在重慶市璧山區開始了空間太陽能電站實驗基地的建設，預計2021 年底完工，2022 年正式開始相關試驗。他們考慮到直接在3.6 萬千米的同步軌道做試驗不太現實，便計劃利用高空氣球，從300 米的低空到2 000 米的高空，再到平流層建立一個簡易的太陽能電站。逐步實現平流層的太陽能收集、儲能，并以微波和激光的方式向無人機充電及向地面應急供電。

西安電子科技大學的空間太陽能電站系統項目被命名為“逐日工程”。目前，他們已經在學校里建起了一個巨大的三角形鐵塔，在離地約55 米高的塔中心安裝有4個直徑6.7 米的半球面聚光裝置。這些裝置會將太陽光匯聚起來使太陽能電池產生直流電，隨后他們將其轉換成微波再發射到地面。其主要目的是，進一步測試微波輸電理論和研究其中的關鍵技術。

雖然空間太陽能電站還面臨諸多技術、設備、資金上甚至是未知的困難，比如說尺寸如此之大的電站，在太空中如何應對隕石、太空垃圾或者小行星等的威脅。但是科學家們深信，通過百倍努力，在2030～2050 年我國有可能研發出第一個商業化空間太陽能發電站系統，實現空間太陽能發電站的商業運行。